地下水開采對河流流量衰減影響分析

1、地下水開采對河流流量衰減影響分析        摘要:以內(nèi)布拉斯加州普拉特河谷為例,詳細(xì)分析了地下水開采對河流流量衰減的影響。計算了從1981年10月1日1986年9月30日5年期間,普拉特河南、北兩側(cè)在抽水期間和抽水后期河流基流的減少和河流入滲的增加。其結(jié)果表明:無論是南側(cè)還是北側(cè),抽水后期對河流流量影響的程度要明顯大于抽水期間的;在河流南、北側(cè),抽水對河流基流的減少和河流入滲的增加影響恰恰相反。抽水在河流南側(cè)對河流基流量減少的影響要明顯大于河流的北側(cè),對河流滲漏量增加的影響卻明顯小于河流的北側(cè)。這是因?yàn)樵诤恿髂蟼?cè),地下水

2、水位高出河水位的值要大于河流的北側(cè)。地下水位高出河水位的值越大,抽水對河流基流量減少的影響越明顯,對河流滲漏增加的影響卻微弱。這些信息對該地區(qū),或類似地區(qū)水資源的合理開發(fā)利用是極其重要的。     關(guān)鍵詞:地下水開采 河流基流的減少 河流入滲的增加 河流流量衰減 普拉特河谷     目前,內(nèi)布拉斯加州主要的水資源問題之一是如何保護(hù)普拉特河谷的水資源。該州在1936年只有1200眼水井,到1985年,注冊的水井?dāng)?shù)達(dá)到70701眼,是1936年水井?dāng)?shù)的近60倍,這些水井承擔(dān)著該州85%的灌溉任務(wù)。另外,中心井灌溉系統(tǒng)(the center

3、pivot irrigationsystem)數(shù)也從1972年的2757增加到1985年的27271個。該州開采的地下水,80%以上用于灌溉1。而普拉特河與相鄰的潛水含水層具有密切的水力聯(lián)系,所以為了農(nóng)業(yè)灌溉而開采地下水,必然造成河流徑流量的衰減,并威脅到一些野生動物的生存及其棲息地的存在。研究河流徑流量的衰減不僅是該地區(qū),也是科羅拉多州、懷俄明州、聯(lián)邦政府內(nèi)務(wù)部、地方政府及不同用水戶等共同關(guān)心的焦點(diǎn)之一。模擬地下水開采造成的河流徑流量的衰減是實(shí)現(xiàn)地表水和地下水聯(lián)合利用的重要步驟之一。     已有許多河流流量衰減的研究成果,其研究方法包括解析法和數(shù)值法。解析法的

4、研究包括Theis(1941),Glover和Balmer(1954),Hantush(1964),Wallace等(1990),Hunt(1999);和Darama 2001等27,這些成果計算的都是簡化的河流含水層系統(tǒng)的河流流量的總衰減量。近年來,數(shù)值法已廣泛應(yīng)用于河流徑流量衰減的研究中(Sophocleous等,1995;Conrad和Beljin,1996;Chen和Yin,2001)810。數(shù)值模型法較解析法有許多優(yōu)點(diǎn),它可以考慮實(shí)際河流含水層系統(tǒng)的復(fù)雜條件。但這些數(shù)值法與解析法一樣,都只是研究了一個理想的情況,并非實(shí)際問題。把河流流量衰減的過程分解成河流基流的減少和河流入滲的增加兩

5、個過程,并分析各自在抽水期間和抽水后期的變化特征的研究尚不多見。而這些信息對每一個流域的水資源管理都是非常重要的。     本文重點(diǎn)介紹了如何計算河流基流的減少和河流入滲的增加兩個過程在抽水期間和抽水后期的體積變化,并將其應(yīng)用于內(nèi)布拉斯加州普拉特河谷的河流含水層系統(tǒng)。     1 研究區(qū)簡介     研究區(qū)位于美國中部的內(nèi)布拉斯加州普拉特河谷,包括布法羅縣(Buffalo County)南部和卡尼縣(Kearney County)的北部(圖1)?？偯娣e約1118km2。普拉特河橫穿研究區(qū)的中部,自西向東流

6、。地面南北邊界處較高,中部河谷區(qū)較低。在西北部最高,約700m,東北部最低,約610m。    研究區(qū)多年(19811986)平均降水量為636.2mm,多年平均蒸發(fā)量為1076mm。根據(jù)普拉特河在卡尼站19831986年的觀測資料,河流的平均水位為651.7m,其變幅小于1m。地下水在河流附近埋深很小,只有1m左右。離河流越遠(yuǎn),其埋深值越大,在研究區(qū)的南北邊界處,埋深值大于5m。根據(jù)前人的研究成果,本區(qū)的極限埋深為4.6m。研究區(qū)的含水層系統(tǒng)包括上部的沖積層(潛水含水層)、中部的淤泥和粘土層(隔水層)和下部的Ogallala組的地層(承壓含水層)。隔水層將淺層的

7、沖積層和Ogallala組的地層分開,沖積層主要由未固結(jié)的砂和礫石組成,而Ogallala組地層主要為各種粒徑的砂,呈半固結(jié)狀態(tài)。研究區(qū)有1000多眼農(nóng)業(yè)灌溉的開采井,其開采集中在每年的68月間,開采井主要分布在普拉特河谷區(qū)。     2 河流流量衰減的計算     該研究中,河流流量衰減的計算采用的是美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)研制的Visual MODFLOW11。根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并用1981年10月1日1986年9月30日共5年(1825d),60個應(yīng)力期的資料對模型進(jìn)行了識別。模型識別結(jié)果表明:不但每個觀測

8、孔的計算水位與觀測水位非常接近,而且全區(qū)計算的地下水等水位線與觀測的等水位線也擬合得很好。這說明所建立的數(shù)學(xué)模型正確,能較準(zhǔn)確地代表實(shí)體的水文地質(zhì)條件,可用于模擬抽水對河流流量的影響。     為了研究普拉特河流量衰減的空間分布規(guī)律,設(shè)計了6個垂直河流的計算剖面,相鄰剖面之間的距離為7200m,每個剖面上有12個計算點(diǎn),6個在河流的北側(cè),6個在南側(cè),河流南、北側(cè)的計算點(diǎn)兩兩對稱。計算點(diǎn)到河流的距離分別為400,800,1500,3000,5000和10000m(圖1)。在每個計算點(diǎn)上設(shè)計一個抽水井。根據(jù)研究區(qū)灌溉的具體情況,將每個抽水過程設(shè)計成:每年的灌溉期(即6

9、8月)抽水5d,停抽5d,其抽水量為4000m3/d。     在研究河流流量的衰減過程中,當(dāng)抽水前的地下水水位高于河水位時,地下水向河流排泄,此量稱為基流量。一旦地下水開采,地下水水位隨之下降,基流量也隨之減少,即河流流量衰減過程中的第一步,基流量的減少;當(dāng)抽水繼續(xù)時,地下水水位不斷下降。當(dāng)?shù)叵滤陆档降陀诤铀粫r,河流即發(fā)生滲漏,即河流流量衰減過程中的第二步,河流滲漏量的增加。當(dāng)抽水前的地下水水位與河水位相同,或低于河水位時,則不存在基流量的減少,只有滲漏量的增加。在普拉特河谷這兩個過程都存在。要研究河流流量的衰減,就必須要確定基流量減少和滲漏量增加這兩個體積

10、。任一時段內(nèi)河流基流量減少的體積可用下式計算:     (1)    式中:Vb是基流量減少的體積;R0為抽水前的基流量;R是抽水后的基流量;t是時間段的長度。     而任一時段內(nèi)河流滲漏量增加的體積則可用下式計算:    (2)    式中:Vi是滲漏量增加的體積;q0為抽水前的滲漏量;q是抽水后的滲漏量;t是時間段的長度。本文分別計算了抽水期間(每年的68月)和抽水后期(本年的9月下一年的5月)的Vb和Vi,總的Vb和i之和,就是河流流量衰

11、減的體積。研究河流流量衰減時,常用河流流量的衰減量與抽水井開采量的比值來表達(dá)3,8,10基流減少量、滲漏增加量與抽水量的比值分別為:    (3)    和    (4)    式中:Vbr為某一時段內(nèi)總的基流減少量與總抽水量的比值;Vir為某一時段內(nèi)總的滲漏增加量與總抽水量的比值;Q為抽水井的抽水量。本文分別計算了抽水期間和抽水后期5年內(nèi)Vbr和Vir的平均值。     3 計算結(jié)果及分析     3.1 河流基流

12、的減少 圖2為Vbr的空間分布特征,對比圖2(a)和圖2(b)可知,無論是在河流的南側(cè),還是北側(cè),Vbr2比Vbr1要大約3倍,這說明:當(dāng)抽水井開采地下水時,抽水后期對河流基流量減少的影響約是抽水期間影響的3倍。這一信息提示人們:在設(shè)計地下水的優(yōu)化開采方案時,不僅要考慮抽水井開采地下水在抽水期間對河流基流量減少的影響,更要重視開采地下水在抽水后期對河流基流量減少的影響,即抽水的殘余影響(the residual effect)。     從圖2(c)可以看出:河流南側(cè)的Vbr比北側(cè)的大。這說明:抽水井開采地下水在河流南側(cè)對河流基流量減少的影響要明顯大于在河流北側(cè)的

13、影響。這是因?yàn)樵诤恿髂蟼?cè),地下水水位高出河水位的值要大于河流的北側(cè)。地下水位高出河水位的值越大,抽水對河流基流量減少的影響越明顯。因此,從減少抽水對河流基流量減少的影響角度出發(fā),同等條件下(如抽水井離河流的距離相同、抽水量相同等),應(yīng)優(yōu)先選擇在河流北側(cè)開采地下水。    圖2 抽水期間的Vbr(a),抽水后期的Vbr(b)和總的Vbr(c)的平面等值線    3.2 河流入滲的增加 圖3為Vir的空間分布特征,對比圖3(a)和圖3(b)可知,無論是在河流的南側(cè),還是北側(cè),Vir2也比Vir1要大,約大23倍。該信息表明:開采地下水在抽

14、水后期對河流滲漏量增加的影響比抽水期間對河流滲漏量增加的影響要大23倍。    圖3 抽水期間的Vir(a),抽水后期的Vir(b)和總的Vir(c)的平面等值線    從圖3(c)可以看出:河流南側(cè)的Vir比北側(cè)的小。這說明:抽水井開采地下水在河流南側(cè)對河流滲漏量增加的影響要明顯小于在河流北側(cè)的影響。這是因?yàn)樵诤恿髂蟼?cè),地下水水位高出河水位的值要大于河流的北側(cè)。地下水位高出河水位的值越大,抽水對河流滲漏量增加的影響越小。因此,從減少抽水對河流滲漏量增加的影響角度出發(fā),同等條件下(如抽水井離河流的距離相同、抽水量相同等),應(yīng)優(yōu)先選擇在河流南側(cè)開采地下水。     4 結(jié) 語     研究結(jié)果表明:隨著抽水井離河